CN110359415B - 一种基于个体模式的鱼道过鱼模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于个体模式的鱼道过鱼模拟方法，包括：获得鱼类游泳能力数据；获得鱼类趋流率数据；获得鱼类喜好流速数据；建立模拟鱼道水力学模型；建立基于个体模式的鱼类运动数学模型的；得到鱼类上溯通过鱼道过程。本发明对鱼道中鱼类上溯通过鱼道的效果预测，建立鱼道水力学模型模拟鱼道中流场随时变化情况，根据实验获得鱼类个体游泳能力、趋流率及其喜好流速范围，在此基础上建立基于个体模式的鱼类运动模型，模拟鱼类个体在流场中的运动，并将本模型与鱼道水力学模型耦合，实现鱼类个体在鱼道中的运动模拟，为鱼道过鱼效果的评估提供了依据，所建立的数学模型以直观的方式实现了鱼道过鱼效果的预测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于个体模式的鱼道过鱼模拟方法，是一种生态水力学模拟方法，是一种适用于预测鱼类上溯洄游时通过低水头鱼道过程的模拟方法。
背景技术
鱼道是水利工程中修建的供鱼类洄游的人工水道。水利工程对鱼类资源造成最直接的影响是阻隔了鱼类的洄游通道，限制了鱼类对原有产卵场、育幼场及越冬场等生境的利用，使其不能有效的完成生活史，威胁了洄游性鱼类的溯河繁殖及非洄游性鱼类的种群内部基因交流。水利工程的建设已严重影响了鱼类的洄游、种群结构及资源量等，建立过鱼设施是缓解水利工程对鱼类资源影响的重要工程补偿措施，也是积极稳妥发展水电的关键生态保护措施。鱼类能否通过鱼道是鱼道设计成败的关键，但由于对鱼类行为研究不深入，过鱼需求和对象不明确，过鱼效果难以预测等原因，已建鱼道多数过鱼效果不佳。因此亟需一种有效预测鱼类上溯通过鱼道过程的模拟方法，为提升鱼道工程过鱼效果，切实保护鱼类资源提供技术支撑。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于个体模式的鱼道过鱼模拟方法。所述方法为了突破鱼道过鱼效果难以预测的技术瓶颈，根据鱼类对水流变化的响应关系，结合鱼类游泳行为及游泳能力，能够模拟鱼类群体在鱼道中的完成上溯过程，解决了鱼道过鱼效果预测的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种基于个体模式的鱼道过鱼模拟方法，所述方法的步骤如下：
步骤1，获得鱼类游泳能力数据的步骤：通过室内实验获得鱼道过鱼目标鱼类的临界游泳速度
及相对临界游泳速度
；
其中，
为临界游泳速度，
为相对临界游泳速度，BL为鱼类体长；
步骤2，获得鱼类趋流率数据的步骤：通过室内实验获得鱼道过鱼目标鱼类的趋流率；
步骤3，获得鱼类喜好流速数据的步骤：通过室内实验获得鱼道过鱼目标鱼类的喜好流速范围；
步骤4，建立模拟鱼道水力学模型的步骤：通过水力学模型建立模拟鱼道的数学模型，计算获得鱼道内流场随时间的变化；
步骤5，建立基于个体模式的鱼类运动数学模型的步骤：将鱼类个体运动的速度矢量分解为沿x轴的速度分量u x ，沿y轴的速度分量u y ，并以鱼体轴线与y轴正方向的夹角α为鱼类该时刻运动方向的标记；
鱼类个体运动采用质点追踪法，其游动的速度通过鱼类游泳能力数据获得；水力学模型输出计算单元网格节点上的水力因子，包括：水深、流速，鱼类运动时某任意点的水力信息可通过对相邻水力计算单元的模拟结果进行插值获得；
模型中鱼类运动的模拟过程，即鱼类个体运动规则，分为以下五个子步骤：
1）准备阶段：根据鱼类游泳能力数据确定鱼类个体的游动速度；根据鱼类趋流率数据及鱼类个体所处局部水环境中水流的流速和方向，确定鱼类个体该时刻的游动方向范围；
2）第一次运动：根据鱼类喜好流速数据确定鱼类个体的喜好流速范围，鱼类个体根据子步骤1）判定的游动速度和逆流方向运动，以在时间步长内所能到达的水环境满足喜好流速为游动目标进行运动；
3）第二次运动：如子步骤2）中第一次运动所能到达的水环境不满足鱼类喜好流速的要求，则鱼类个体在根据趋流率确定的游动方向范围内，寻找满足喜好流速的水环境作为鱼类第二次运动的游动目标；
4）第三次运动：如子步骤3）中第二次运动所能到达的水环境仍不满足鱼类喜好流速的要求，则鱼类个体以任意方向寻找满足喜好流速的水环境作为鱼类第三次运动的游动目标，若多个满足则随机选择；
5）如子步骤4）中第三次运动仍不满足鱼类喜好流速的要求，则鱼类个体以距离最近的可满足生存基础要求的水环境为游动目标；
步骤6，得到鱼类上溯通过鱼道过程的步骤：将模拟鱼道水力学模型与建立的基于个体模式的鱼类运动数学模型耦合：时间耦合：水力学模型的时间步长通常大于鱼类运动模型的时间步长，当模型耦合式，针对水力学模型输出的流速，采用水力学模型多个时间步长流速计算结果的平均值，因水流对鱼类运动的诱导具有一定累积性，采用流速平均值可以合理的反映诱导过程；针对水力学模型输出的水深，采用水力学模型多个时间步长水深计算结果的最小值，因干旱（即水深小于0米）时对鱼类生存的威胁通常是瞬时而致命的。空间耦合：水力学模型数值计算在离散的计算单元网格节点上进行，水力学模型与鱼类运动模型的空间耦合采用有限元插值法从邻近计算单元网格节点的计算结果推求鱼类个体所处位置的水力因子。
进一步的，所述的目标鱼类的临界游泳速度的测定方法包括如下子步骤：
进行鱼类临界游泳游速预实验：选取1尾鱼置于临界游泳游速水槽实验区内，在适应了临界游泳游速水槽最初流速的基础上，以每2分钟增加0.4BL/s的速度增加水流速度，直至实验鱼疲劳，记录致使实验鱼疲劳的水流流速，为目标鱼类的临界游速U crit 的估计值，其中BL为实验鱼的体长；本子步骤至少使用三尾鱼重复实验三次，取三次实验的平均值；
在目标鱼类中随机选取实验鱼至少30尾，逐条进行实验；
将实验鱼单尾置于水槽实验区内，使实验鱼在1BL/s的水流速度下适应1小时后，开始实验；
每隔5分钟将流速调高0.5BL/s至60%的U crit 估计值，以后每隔20分钟将流速提高15%的U crit 估计值，直至实验鱼达到运动力竭状态，记录实验鱼的力竭时刻鱼的体长、体高、体宽、体重；
通过计算公式计算临界游泳速度：
其中，U为实验鱼停止游泳前最大水流速度，
为流速增量，Δt为时间增量，t为鱼类疲劳前在该流速下的游泳时间。
进一步的，所述的趋流率的获取方式如下：
在趋流率水槽中设定至少8个流速梯度；每次实验放1尾鱼，每一流速条件下至少测8尾；实验前将单尾实验鱼放入实验区域内，静水适应1小时；
调整流速，5分钟内将流速调到目标流速；实验持续至少20分钟，每分钟记录一次鱼体中轴线的朝向；
根据公式计算趋流率：，
其中，F为鱼头部方向逆向水流方向百分比，即趋流率；n i 指第i条实验鱼的鱼头方向逆向水流方向在实验过程中的次数；N j 指某一流速下所有实验鱼在实验期间总的观察次数。
进一步的，所述的鱼类喜好流速数据获取方式如下：
使用断面为渐变型的鱼类喜好流速水槽，在鱼类喜好流速水槽内沿水流方向按一定间隔在中泓线设置多个监测断面，每监测断面设置两个采样点，分别对表层流速和底层流速进行三维流速监测，将各采样点的平均流速进行频数统计，通过加权平均计算得出各断面的平均流速值；
将至少十尾实验鱼放入鱼类喜好流速水槽，通过在动水条件下对实验鱼的主要活动区域进行观测和记录，统计实验鱼在水槽中不同水环境区域出现的次数，利用a-cut法，截取鱼类出现次数超过出现阈值的水环境区域，将该区域的流速设定为鱼类喜好流速。
进一步的，所述的模拟鱼道是异侧竖缝式鱼道。
本发明产生的有益效果是：本发明对鱼道中鱼类上溯通过鱼道的效果预测，建立鱼道水力学模型模拟鱼道中流场随时变化情况，根据实验获得鱼类个体游泳能力、趋流率及其喜好流速范围，在此基础上建立基于个体模式的鱼类运动模型，模拟鱼类个体在流场中的运动，并将本模型与鱼道水力学模型耦合，实现鱼类个体在鱼道中的运动模拟，预测鱼类上溯通过鱼道的过程。本发明所述方法提出了基于鱼类游泳能力及行为特征的预测鱼类上溯通过鱼道过程的数学模拟方法，为鱼道过鱼效果的评估提供了依据。并根据所述方法建立的数学模型以较直观的方式实现了鱼道过鱼效果的预测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；
图2是本发明的实施例一所述方法所使用的水力学模型计算单元示意图；
图3是本发明的实施例二所述方法所使用的临界游泳速度实验水槽示结构意图；
图4是本发明的实施例四所述方法所使用的鱼类喜好流速实验水槽结构示意图；
图5是本发明的实施例四所述鱼类喜好流速数据获取方式所测得的胭脂鱼实验结果；
图6是异侧竖缝式鱼道的结构示意图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种基于个体模式的鱼道过鱼模拟方法，如图1所示。
本实施例采用鱼类行为学实验与二维水力学模型相结合的研究方法模拟鱼类通过鱼道的过程。
所述方法的具体步骤如下：
步骤1，获得鱼类游泳能力数据的步骤：通过室内实验获得鱼道过鱼目标鱼类的临界游泳速度及相对临界游泳速度
。
其中，
为临界游泳速度，
为相对临界游泳速度，BL为鱼类体长。
鱼类游泳行为特性的指标主要有临界游泳速度，其反映了鱼类长时间的游泳能力，是设计鱼道池室主流、确定池室间距的重要指标，对于鱼道的设计具有十分重要的意义。鱼类临界游泳速度在本实验中表现为致使实验鱼类疲劳的水流流速。实验中，鱼类运动力竭状态实验判定标准是：实验鱼被水流冲至游泳区域水槽末端塑料网5处（见图3），并无力再自行恢复原有的游泳行为。临界游泳速度一般可以通过在实验室中对各种鱼类进行实验获得，如对各种不同鱼类不同流速下进行实验最终使实验鱼疲劳，将疲劳之前的速度作为临界游泳速度。
本实施例以胭脂鱼（Myxocryprinus asiaticus）为实验对象举例说明。
本步骤以胭脂鱼为目标鱼类，以获得胭脂鱼游泳能力数据：胭脂鱼属鲤形目，亚口鱼科，国家二级保护动物，目前主要分布于长江水系。实验鱼体长体重分别为6.47±0.58cm，7.12±1.71g。实验准备阶段，实验鱼在循环控温水池中（直径为3.0 m，水容量2m3）驯养数周。在驯化期间，投喂足量水蚯蚓，每日一次。采用抑菌曝气自来水，水温控制在19±1℃，溶氧含量大于6 mg/L，氨氮含量小于0.01 mg/L，采用自然光光照。准备实验前一日，停止喂食。
实验鱼均在鱼类游泳装置中进行实验。首先进行临界游泳游速预实验，即选取1尾鱼（3次预实验，共3尾）置于水槽实验区内，在适应了水槽最初流速的基础上，以每2分钟增加0.4BL/s的（BL为 body length的缩写，表示实验鱼的体长）速度增加水流速度，直至实验鱼疲劳。此时，致使实验鱼疲劳的水流流速即为鱼类的临界游速的粗略值，称为U crit 估计值，供随后的正式实验参考。
正式实验时，在实验对象中随机选取实验鱼共30尾，逐条进行实验。将实验鱼单尾用塑料盆（直径为25cm）运至水槽实验区，盖上测试区顶盖，开动调频电机，实验鱼在1BL/s的水流速度下适应1小时后，开始实验。每隔5分钟将流速调高0.5BL/s至60%的U crit 估计值，以后每隔20分钟将流速提高15%的U crit 估计值，直至实验鱼达到运动力竭状态。整个游泳过程溶解氧含量不低于6mg/L。游泳装置内温度控制在（22.0±0.5）℃。记录实验鱼的力竭时刻，随后将其从实验装置中取出，麻醉后测量鱼的体长、体高、体宽、体重。
计算临界游泳速度的公式
，
其中，为临界游动速度（cm/s），U为鱼类停止游泳前最大水流速度（cm/s），
为流速增量（cm/s），Δt为时间增量（20分钟），t为鱼类疲劳前在该流速下的游泳时间（s）。
计算相对临界游泳速度的公式，
其中，
为相对临界游泳速度（BL/s），BL为鱼类体长（cm）。
实验中，实验鱼身体的横截面面积未超过游泳区域横截面积的10%，没有引发阻挡效应，因此结果无需校正。
实验结果：胭脂鱼的临界游泳速度为47.50±9.20cm/s，相对体长临界游泳速度为7.33±1.24BL/s。
步骤2，获得鱼类趋流率数据的步骤：通过室内实验获得鱼道过鱼目标鱼类的趋流率。
自由运动的鱼类受到外界物理或化学因素的刺激，朝向一定方向运动，这种反应被称为鱼类的趋性。根据刺激因素的不同，趋性可以分为：趋光性、趋水性、趋温性、趋音性等。生活在流水中的鱼类普遍具有趋流性，鱼类能根据水流的方向和速度随时调整自身的游动方向和游动速度，使自身保持逆流游泳状态或长时间地停留在某一特定位置。本步骤所关注的趋流性在鱼类洄游和长距离迁徙中具有重要的意义。研究鱼类的趋流性可以为鱼道的设计提供一定的科学依据。
趋流率实验在趋流率水槽中进行，趋流率水槽为能够设定和调节流速梯度的常规水槽。
实验设定8个流速梯度。每次实验放1尾鱼，每一流速条件下测8尾，8实验组共测定64尾实验鱼。实验前将单尾实验鱼放入实验区域内，静水适应1小时以消除因转移而对鱼体产生的胁迫。随后，调整流速，5分钟内将流速调到目标流速。实验持续20分钟，每分钟记录一次鱼体中轴线的朝向。
根据公式计算趋流率F：
，
其中，F为鱼头方向逆向水流方向百分比（%），即趋流率。n i 指第i条实验鱼的鱼头方向逆向水流方向在实验过程中的次数，N j 指某一流速下所有实验鱼在实验期间总的观察次数。实验结果见表1：
表1 趋流率实验结果
| 流速(cm/s) | 趋流率(%) | 与水流夹角(°) |
| 4 | 80 | -5 ~ +5 |
| 7 | 92 | -5 ~ +5 |
| 9 | 91 | -20 ~ +30 |
| 12 | 92 | -30 ~ +45 |
| 14 | 88 | -5 ~ +15 |
| 15 | 90 | -30 ~ +5 |
| 17 | 88 | -45 ~ +15 |
| 20 | 81 | -30 ~ +135 |
趋流率可以反映鱼类对水流的敏感性，从表1中可以看出，不同流场情况下，趋流率的变化并不剧烈。在实验中，鱼类逆流游动占主导，但随着水流的逐渐增大呈现先增加后减小的趋势。
步骤3，获得鱼类喜好流速数据的步骤：通过室内实验获得鱼道过鱼目标鱼类的喜好流速范围。
鱼类适应性研究中，通常把鱼类的喜好流速作为一个重要的指标。喜爱流速是指鱼类所能克服的各种流速值中对其中游动最为合适的某一流速范围。
在实验室中获得鱼类喜好流速数据的方法是，设定不同的流速区，观察鱼类在各个流速区出现的次数，并对鱼类出现次数进行概率统计，以此确定鱼类喜好流速。
步骤4，建立模拟鱼道水力学模型的步骤：通过水力学模型建立模拟鱼道的数学模型，计算获得鱼道内流场随时间的变化。
本实施例所述的模拟鱼道是指：在实际应用中的各型式鱼道，如池式、槽式、横隔板式，其中池式鱼道由串联的水池组成，各水池间用短渠或低堰连接，该型鱼道较接近天然河道的水力条件，但适用水头很小；槽式鱼道由上下联接的水槽组成，通常不设消能措施，主要靠延长水流途径和槽周糙率来消能，坡度较缓，长度较长，适用水头很小；横隔板式鱼道主要利用横隔板将鱼道上下游的总水位差分为许多梯级，并利用隔板消能，降低过鱼孔流速，改善流态，可适用水头较大的地方，且可通过调节过鱼孔的型式、位置、大小来适应不同习性鱼类上溯要求，结构简单，维修方便，是目前主要采用的鱼道型式；组合式鱼道是溢流堰、潜孔及竖缝的组合，该类型鱼道能灵活的发挥各型式孔口的水力特性，也是现在较为常用的鱼道设计。
横隔板式鱼道按过鱼孔形状及其在池室内隔板上的位置，又可将分为溢流堰式、淹没孔口式、竖缝式及组合式。其中溢流堰式鱼道的隔板过鱼孔在表层，水流呈溢流堰流态下泄，其全部或绝大部分水量在堰顶通过，该类鱼道适合喜表层洄游或有跳跃习性的鱼类；淹没孔口式鱼道的隔板过鱼孔在水底，孔口流态为淹没孔流，鱼道全部或大部分水量由底部孔口通过，该类鱼道适合喜底层洄游的大、中型鱼类；竖缝式鱼道的隔板过鱼孔为从上到下的一条竖缝，水流通过竖缝下泄，此类型鱼道主要通过扩散和对冲消能，消能效果比其它类型鱼道充分，且能够适应较大的水位变幅，用于通过能适应较复杂流态的大中型鱼类，适用范围最广；在竖缝式鱼道中按照相邻隔板布置方式可分为：同侧竖缝式、异侧竖缝式、同侧及异侧斜向式等，其中异侧竖缝式鱼道水流消能更为充分，一些著名鱼道，如坎伯斯鱼道、江苏斗龙港鱼道等均采用该型式。
本步骤对具体的对象鱼道进行二维水力学模型的建构，包括按照模拟鱼道设计尺寸构建模拟鱼道。
鱼道水力学模型构建可以采用通用二维CFD软件Ansys Fluent开展鱼道二维数值模拟。Ansys Fluent具有强大的网格支持能力，可支持非结构网格等。Fluent采用基于有限体积法，能够提供非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法。软件包含丰富而先进的物理模型，能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-e模型组、雷诺应力模型（RSM）组、大涡模拟模型（LES）组以及最新的分离涡模拟和VOF模型等，另外还可以根据模拟需求自行定义和添加湍流模型。
步骤5，建立基于个体模式的鱼类运动数学模型的步骤：将鱼类个体运动的速度矢量分解为沿x轴的速度分量u x ，沿y轴的速度分量u y ，并以鱼体轴线与y轴正方向的夹角α为鱼类该时刻运动方向的标记。
鱼类个体运动采用质点追踪法，其游动的速度通过鱼类游泳能力数据获得；水力学模型输出计算单元网格节点上的水力因子，包括：水深、流速，鱼类运动时某任意点的水力信息可通过对相邻水力计算单元的模拟结果进行插值获得；
模型中鱼类运动的模拟过程，即鱼类个体运动规则，分为以下五个子步骤：
1）准备阶段：根据鱼类游泳能力数据确定鱼类个体的游动速度；根据鱼类趋流率数据及鱼类个体所处局部水环境中水流的流速和方向，确定鱼类个体该时刻的游动方向范围；
2）第一次运动：根据鱼类喜好流速数据确定鱼类个体的喜好流速范围，鱼类个体根据子步骤1）判定的游动速度和逆流方向运动，以在时间步长内所能到达的水环境满足喜好流速为游动目标进行运动；
3）第二次运动：如子步骤2）中第一次运动所能到达的水环境不满足鱼类喜好流速的要求，则鱼类个体在根据趋流率确定的游动方向范围内，寻找满足喜好流速的水环境作为鱼类第二次运动的游动目标；
4）第三次运动：如子步骤3）中第二次运动所能到达的水环境仍不满足鱼类喜好流速的要求，则鱼类个体以任意方向寻找满足喜好流速的水环境作为鱼类第三次运动的游动目标，若多个满足则随机选择；
5）如子步骤4）中第三次运动仍不满足鱼类喜好流速的要求，则鱼类个体以距离最近的可满足生存基础要求的（即水深大于0m）的水环境为游动目标。
个体模式鱼类运动数学模型遵循鱼类个体运动规则。鱼类能否通过鱼道游动至指定区域，通常取决于鱼类自身的游泳能力。通过目标鱼类游泳能力实验，可以得到胭脂鱼的临界游泳速度为47.50±9.20 cm/s，相对体长临界游泳速度为7.33±1.24 BL/s。因此，在本实施例中，鱼道中鱼类的游动能力参考临界游泳速度，设定为：38.3-56.7 cm/s。在模拟中，每一个时间步长开始时，每一尾鱼都将从速度范围中随机获得一个游动速度，进行该时间步长内的运动。
鱼类具有顶流运动的习性，若水流方向改变，则鱼类运动方向也会随之改变。在较短时间，相对较小的水环境中，鱼类的运动方向有一定的规律性。模型中，依据胭脂鱼趋流率的实验结果确定鱼类个体的运动方向：根据水流速度的不同，鱼类个体与水流方向的夹角也存在一定关系（表1）。针对胭脂鱼在模型中的个体运动确定过程如下：
1）选择逆流运动。
2）若在逆流方向无适宜的水环境，则根据流速~趋流角度确定鱼类游动的角度范围（表1），在该游动范围内选择合适的水环境作为游动目标。所述的合适的水环境是指：满足喜好流速的水环境。
3）若在游动范围内无合适的水环境，则鱼类按照游动能力避开流速小于0.2 m/s和流速大于1.2 m/s的水流区域，向鱼道上游游动。
因此，在鱼道过鱼模拟中，鱼类运动的最终目标是游至喜好的流速中。若溯游方向上，无适宜水环境，则避开流速小于0.2 m/s或大于1.2 m/s的水环境。
这一水环境的确定依据是：根据鱼类喜好流速实验获得，在平均流速为0.60 m/s~ 0.70 m/s，0.87 m/s ~ 0.89 m/s的实验区域内，鱼类的出现频率明显高于其他流速区域，当流速小于0.2 m/s时，鱼类的出现频率下降；当流速大于0.9m/s时，鱼类的出现频率显著下降；观察发现在流速为1.2 m/s区域，鱼类进入该区域即被水流冲走，只有极少数的鱼类个体能够游过此区域，因此，1.2 m/s为鱼类个体所能达到的抵抗极限流速。因此，将鱼类个体无法适应的水流流速确定为小于0.2m/s或大于1.2m/s。
步骤6，得到鱼类上溯通过鱼道过程的步骤：将模拟鱼道水力学模型与建立的基于个体模式的鱼类运动模型耦合：时间耦合：水力学模型的时间步长通常大于鱼类运动模型的时间步长，当模型耦合式，针对水力学模型输出的流速，采用水力学模型多个时间步长流速计算结果的平均值，因水流对鱼类运动的诱导具有一定累积性，采用流速平均值可以合理的反映诱导过程；针对水力学模型输出的水深，采用水力学模型多个时间步长水深计算结果的最小值，因干旱（即水深小于0米）时对鱼类生存的威胁通常是瞬时而致命的。空间耦合：水力学模型数值计算在离散的计算单元网格节点上进行，水力学模型与鱼类运动模型的空间耦合采用有限元插值法从邻近计算单元网格节点的计算结果推求鱼类个体所处位置的水力因子。
在耦合模型的构建中，水力学模型的输出结果，如水深、流速等信息，将作为鱼类运动模型的输入条件，以准确计算在任意时刻、任意位置，鱼类个体所处的水环境情况。在模型交互阶段，水力学模型将流场信息单向传递给鱼类运动模型，基于时间和空间的耦合方法，实现两个模型的耦合。
鱼类运动模型与水力学模型的时间耦合：
鱼类运动模型与水力学模型的时间步长不同，需要确定模型时间耦合方法。通常，鱼类的游动变化与水流变化是同步的，但在不同的模拟需求下，需要对鱼类运动模型的时间步长进行一定的调整。鱼类运动模型的时间步长的确定和鱼类个体所处水环境的变化情况及鱼类自身的游动能力密切相关。当鱼类所处水环境范围较小（如：鱼道池室），水环境的变化往往较为剧烈，鱼类运动模型通常需要取较小的时间步长，以便实现鱼类在剧烈变化的流场下的精细模拟。当鱼类所处水环境的范围较广时（如：河道），鱼类运动模型的时间步长主要受模拟区域、计算效率和存储空间等的限制，通常可将时间步长取12小时或24小时，在根据模拟需要进行局部调整。
本实施例中鱼类模拟的时间步长取1秒。水力学模型为了满足数值计算稳定性的要求，时间步长取0.1秒。因此，当鱼类运动模型以1秒为时间步长时，在鱼类运动模型计算的两个时间步长间，包含了多个水力学模型计算时间步，因而需要将多个水力学模型时间步上的信息合理地传递给鱼类运动模型。对于水流流速，本实施例中模型采用多个时间步长的平均值，因为水流对鱼类运动的诱导具有一定的累积性，采用平均值可以合理的反映诱导过程；而对于水深的模拟结果则采用多个时间步长的最小值，因为，如干旱（即水深小于0米）等水流对鱼类生存的威胁通常是瞬时而致命的。
鱼类运动模型与水力学模型的空间耦合：
鱼类运动模型与水力学模型采用的计算网格不同时需要确定模型空间耦合方法。水力学模型的数值计算是在计算单元网格节点上进行的，计算单元网格节点间的数值可以通过空间差值的方法推求。本实施例中，水力学模型计算单元采用非结构化三角网格，网格单元尺寸大于个体鱼类质点。因此，空间模型的耦合即是将水力学信息从模型计算单元传递给个体鱼类质点。在本实施例中，采用有限元插值法，利用三角形单元形函数在单元内的连续性，推求鱼类个体在三角形计算单元中任意位置的计算结果。具体计算过程如下：
在水力学模型计算过程中，利用线性三角形单元，如图2所示，插值函数由线性函数构成。对于每个角点可用通过其它两个角点的直线方程的线性函数来构成。例如对于节点i，可以用kj边的边方程来构成其插值函数，即：
N i =L i （i=i，j，k）
其中，N为待插值的变量；L为线性插值函数。设定图2中标记点为鱼类个体某时刻位置（x，y），则相关的水力学信息可以由如下公式获得：
其中，f为待插值的变量，如水深、流速等；ijk指鱼类个体所在三角形单元的三个角点；L为线性插值函数，表达式如下：
其中，
为ijk三角点所构成的三角形面积。
由于在模型中，鱼类个体被视为质点，所以，耦合模型忽略由鱼类游动所造成的对局部水环境的扰动。
鱼类上溯通过鱼道过程的模拟结果为不同时刻鱼类个体在鱼道中的分布动态以及不同流量下，鱼类通过鱼道洄游至上游的过程模拟。
实施例二：
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于临界游泳速度的测定的细化。本实施例所述的目标鱼类的临界游泳速度的测定方法包括如下子步骤：
进行临界游泳游速预实验：选取1尾鱼置于临界游泳速度水槽的实验区内，在适应了临界游泳速度水槽最初流速的基础上，以每2分钟增加0.4BL/s的速度增加水流速度，直至实验鱼疲劳，记录致使实验鱼疲劳的水流流速，为目标鱼类的临界游速U crit 的估计值，其中BL为实验鱼的体长；本子步骤至少使用三尾鱼重复实验三次，取三次实验的平均值。
临界游泳游速实验装置如图3所示，其工作原理为：假设鱼类游泳速度与水流速度相等，在封闭空间内，通过调节调频器来改变带动螺旋桨的电机1转速，从而改变水流速度，通过多孔整流格栅3使水槽2截面各处水流速度近似均匀，通过测量水流速度得到鱼类游泳速度。
水在椭圆形内水槽中循环流动，电机在变频器的控制下旋转螺旋桨4扰动水流，制造均匀流场。鱼类游泳实验区5（15cm×15cm×60cm）横截面为正方形，纵截面为矩形。在游泳区实验区上游配置整流格栅以均匀流场，下游设置塑料网6避免实验鱼游出水槽内的实验区域，同时也避免实验鱼游出水槽上方摄像头的监控范围。整个椭圆形水槽置于矩形外槽7之内，外槽中水流充分曝气。工作时，椭圆形内槽由螺母和密封圈封住形成封闭空间，内槽与矩形外槽通过位于内槽两侧弧形转弯处的小孔进行水流交换，以提供封闭实验区内充分曝气的富氧水。水槽上方和侧面均安装摄像头，对鱼的游泳行为进行监测。
在目标鱼类中随机选取实验鱼至少30尾，逐条进行实验。
将实验鱼单尾置于水槽实验区内，使实验鱼在1BL/s的水流速度下适应1小时后，开始实验。
每隔5分钟将流速调高0.5BL/s至60%的U crit 估计值，以后每隔20分钟将流速提高15%的U crit 估计值，直至实验鱼达到运动力竭状态，记录实验鱼的力竭时刻鱼的体长、体高、体宽、体重。
通过公式计算临界游泳速度：
其中，U为实验鱼停止游泳前最大水流速度，
为流速增量，Δt为时间增量，t为鱼类疲劳前在该流速下的游泳时间。
实施例三：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于趋流率获取方式的细化。本实施例所述的趋流率的获取方式如下：
趋流率实验在常规矩形水槽中进行，趋流率水槽尺寸为8m×0.4m。在实验区沿水流方向每0.7 m设一个测量断面，每个断面设30个测量点，用流速仪测定流速。
在趋流率水槽中设定至少8个流速梯度；每次实验放1尾鱼，每一流速条件下至少测8尾；实验前将单尾实验鱼放入实验区域内，静水适应1小时；
调整流速，5分钟内将流速调到目标流速；实验持续至少20分钟，每分钟记录一次鱼体中轴线的朝向；
根据公式计算趋流率：
其中，F为鱼头部方向逆向水流方向百分比，即趋流率。n i 指第i条实验鱼的鱼头方向逆向水流方向在实验过程中的次数，N j 指某一流速下所有实验鱼在实验期间总的观察次数。
趋流率可以反映鱼类对水流的敏感性，从表1中可以看出，不同流场情况下，趋流率的变化并不剧烈。在实验中，鱼类逆流游动占主导，但随着水流的逐渐增大呈现先增加后减小的趋势。
实施例四：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于鱼类喜好流速数据获取方式的细化。本实施例所述的鱼类喜好流速数据获取方式如下：
为了反映鱼类对流速的响应，喜好流速实验在平底玻璃水槽8中进行，见图4，沿水槽长方向设置倾斜隔板9，水槽中水流方向按图4中箭头方向流动，形成水槽断面为渐变型的鱼类喜好流速实验水槽，如图4所示。在鱼类喜好流速实验水槽内沿水流方向按一定间隔（例如0.5m）在中泓线设置多个监测断面10，每监测断面设置两个采样点，分别对表层流速和底层流速进行三维流速监测，将各采样点的平均流速进行频数统计，通过加权平均计算得出各断面的平均流速值。实验开始后，通过在动水条件下对实验鱼的主要活动区域进行观测，并对录像资料进行进一步处理。
将至少十尾实验鱼放入鱼类喜好流速水槽，通过在动水条件下对实验鱼的主要活动区域进行观测和记录，统计实验鱼在水槽中不同水环境区域出现的次数，利用a-cut法，截取鱼类出现次数超过出现阈值的水环境区域，将该区域的流速设定为鱼类喜好流速。图5为胭脂鱼的实验结果，利用a-cut法，截取鱼类出现次数超过100次的水环境区域，将该区域的流速设定为鱼类的喜好流速。
经过实验，胭脂鱼的喜好流速范围为0.60 m/s ~ 0.70 m/s，0.87 m/s ~ 0.89 m/s。
实施例五：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于模拟鱼道的细化。本实施例所述的模拟鱼道是异侧竖缝式鱼道。
所述的异侧竖缝式鱼道，如图6所示，是指鱼道池室内两侧分别交替设置隔板11，异侧布置的鱼道，其过鱼孔口为从上到下的竖缝，适用于通过不同栖息水层的鱼类，广泛的应用在水利工程过鱼设施的设计中。
本实施例中，异侧竖缝式鱼道水力学模型与基于个体模式的鱼类运动模型进行时间和空间的耦合。空间耦合：水力学模型的最小网格面积约为0.0003m2，这一尺寸足以保证通过有限元插值可以获得在计算单元内连续的插值结果。时间耦合：水力学模型计算的时间步长为0.1s。鱼类运动模型时间步长为1s。当将水力学模型的计算结果传递给鱼类运动模型时，由于时间步长不一致，所以需要进行模型时间的耦合，流速采用水力学模型10个时间步长内的平均值，水深采用水力学模型10个时间步长内的最小值。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如实验过程、耦合方式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种基于个体模式的鱼道过鱼模拟方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：
步骤1，获得鱼类游泳能力数据的步骤：通过室内实验获得鱼道过鱼目标鱼类的临界游泳速度
及相对临界游泳速度
；
其中，
为临界游泳速度，
为相对临界游泳速度，BL为鱼类体长；
步骤2，获得鱼类趋流率数据的步骤：通过室内实验获得鱼道过鱼目标鱼类的趋流率；
步骤3，获得鱼类喜好流速数据的步骤：通过室内实验获得鱼道过鱼目标鱼类的喜好流速范围；
步骤4，建立模拟鱼道水力学模型的步骤：通过水力学模型建立模拟鱼道的数学模型，计算获得所述模拟鱼道内流场随时间的变化；
步骤5，建立基于个体模式的鱼类运动数学模型的步骤：将鱼类个体运动的速度矢量分解为沿x轴的速度分量u x ，沿y轴的速度分量u y ，并以鱼体轴线与y轴正方向的夹角α为鱼类该时刻运动方向的标记；
鱼类个体运动采用质点追踪法，其游动的速度通过鱼类游泳能力数据获得；水力学模型输出计算单元网格节点上的水力因子，包括：水深、流速，鱼类运动时某任意点的水力信息可通过对相邻水力计算单元的模拟结果进行插值获得；
模型中鱼类运动的模拟过程，即鱼类个体运动规则，分为以下五个子步骤：
1）准备阶段：根据鱼类游泳能力数据确定鱼类个体的游动速度；根据鱼类趋流率数据及鱼类个体所处局部水环境中水流的流速和方向，确定鱼类个体该时刻的游动方向范围；
2）第一次运动：根据鱼类喜好流速数据确定鱼类个体的喜好流速范围，鱼类个体根据子步骤1）判定的游动速度和逆流方向运动，以在时间步长内所能到达的水环境满足喜好流速为游动目标进行运动；
3）第二次运动：如子步骤2）中第一次运动所能到达的水环境不满足鱼类喜好流速的要求，则鱼类个体在根据趋流率确定的游动方向范围内，寻找满足喜好流速的水环境作为鱼类第二次运动的游动目标；
4）第三次运动：如子步骤3）中第二次运动所能到达的水环境仍不满足鱼类喜好流速的要求，则鱼类个体以任意方向寻找满足喜好流速的水环境作为鱼类第三次运动的游动目标，若多个满足则随机选择；
5）如子步骤4）中第三次运动仍不满足鱼类喜好流速的要求，则鱼类个体以距离最近的可满足生存基础要求的水环境为游动目标；
步骤6，得到鱼类上溯通过鱼道过程的步骤：将模拟鱼道水力学模型与建立的基于个体模式的鱼道鱼类运动模型耦合：时间耦合：水力学模型的时间步长通常大于鱼类运动模型的时间步长，当模型耦合时，针对水力学模型输出的流速，采用水力学模型多个时间步长流速计算结果的平均值，因水流对鱼类运动的诱导具有一定累积性，采用流速平均值可以合理的反映诱导过程；针对水力学模型输出的水深，采用水力学模型多个时间步长水深计算结果的最小值，因干旱，即水深小于0米时，对鱼类生存的威胁通常是瞬时而致命的；
空间耦合：水力学模型数值计算在离散的计算单元网格节点上进行，水力学模型与鱼类运动模型的空间耦合采用有限元插值法从邻近计算单元网格节点的计算结果推求鱼类个体所处位置的水力因子。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的目标鱼类的临界游泳速度的测定方法包括如下子步骤：
进行鱼类临界游泳游速预实验：选取1尾鱼置于临界游泳游速水槽实验区内，在适应了临界游泳游速水槽最初流速的基础上，以每2分钟增加0.4BL/s的速度增加水流速度，直至实验鱼疲劳，记录致使实验鱼疲劳的水流流速，为目标鱼类的临界游速U crit 的估计值，其中BL为实验鱼的体长；本子步骤至少使用三尾鱼重复实验三次，取三次实验的平均值；
在目标鱼类中随机选取实验鱼至少30尾，逐条进行实验；
将实验鱼单尾置于水槽实验区内，使实验鱼在1BL/s的水流速度下适应1小时后，开始实验；
每隔5分钟将流速调高0.5BL/s至60%的U crit 估计值，以后每隔20分钟将流速提高15%的U crit 估计值，直至实验鱼达到运动力竭状态，记录实验鱼的力竭时刻鱼的体长、体高、体宽、体重；
通过计算公式计算临界游泳速度：
其中，U为实验鱼停止游泳前最大水流速度，
为流速增量，Δt为时间增量，t为鱼类疲劳前在该流速下的游泳时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的趋流率的获取方式如下：
在趋流率水槽中设定至少8个流速梯度；每次实验放1尾鱼，每一流速条件下至少测8尾；实验前将单尾实验鱼放入实验区域内，静水适应1小时；
调整流速，5分钟内将流速调到目标流速；实验持续至少20分钟，每分钟记录一次鱼体中轴线的朝向；
根据公式计算趋流率：
其中，F为鱼头部方向逆向水流方向百分比，即趋流率；n i 指第i条实验鱼的鱼头方向逆向水流方向在实验过程中的次数；N j 指某一流速下所有实验鱼在实验期间总的观察次数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的鱼类喜好流速数据获取方式如下：
使用断面为渐变型的鱼类喜好流速水槽，在鱼类喜好流速水槽内沿水流方向按一定间隔在中泓线设置多个监测断面，每监测断面设置两个采样点，分别对表层流速和底层流速进行三维流速监测，将各采样点的平均流速进行频数统计，通过加权平均计算得出各断面的平均流速值；
将至少十尾实验鱼放入鱼类喜好流速水槽，通过在动水条件下对实验鱼的主要活动区域进行观测和录像，统计实验鱼在各个水环境条件下的出现次数，利用a-cut法，截取鱼类出现次数超过出现阈值的水环境区域，将该区域的流速设定为鱼类的喜好流速。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述的模拟是异侧竖缝式鱼道。
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